KR20100104826A

KR20100104826A - 진단 기기

Info

Publication number: KR20100104826A
Application number: KR1020090023479A
Authority: KR
Inventors: 김영묵; 김정률; 최만휴; 이충완; 양지혜; 강문숙
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2009-03-19
Filing date: 2009-03-19
Publication date: 2010-09-29

Abstract

본 발명은 자기장의 세기를 향상시킬 수 있는 장치와 이를 이용한 장치의 자기 신호를 정확하게 검출할 수 있는 증폭 구동부를 포함하는 진단 기기를 제공하는 것이다.

본 발명은 적어도 하나의 자기장의 방향과 세기를 조정하며, 자기 저항 센서에서 자기적인 성분과 결합한 바이오 물질에 대한 자기 신호를 감지하여 자기적 성분으로 분리하고 분석하는 검출 기기와, 상기 검출 기기로부터 생성된 자기 신호를 증폭하며, 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 감지하는 증폭 구동부와, 상기 증폭된 자기 신호를 디지털화하여 퍼스널 컴퓨터로 신호의 파형 및 계측된 값을 구하는 신호 변환부와, 상기 신호 변환부를 통해 디지털화된 자기 신호를 Stand-alone Type 신호의 파형 및 계측된 값을 모니터링하는 신호 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

증폭 구동부, 검출 기기, 신호 검출 제어부

Description

진단 기기{DIAGNOSIS DEVICE}

본 발명은 자기장의 세기를 향상시킬 수 있는 장치와 이를 이용한 장치의 자기 신호를 정확하게 검출할 수 있는 증폭 구동부를 포함하는 진단 기기에 관한 것이다.

최근의 노령화 사회로의 진입 및 건강한 삶에 대한 욕망의 증가는 휴대용 건강 진단 시스템 (Health Care System) 시장을 확장 시키며 각종 생리활성 물질 및 화학 물질을 분석, 측정, 진단, 검색해 낼 수 있는 바이오 센서에 대한 중요성을 점점 증가시키고 있다.

바이오 센서는 분자간의 선택적 반응을 이용하므로 다른 물질에 의한 간섭을 줄이고, 측정대상 물질을 고감도로 구별해 낼 수 있어야 하며, 생산 단가를 낮추어 대량생산도 가능하고, 감응 속도를 빠르게 할 수 있어 원하는 곳 어디에서나 실시간으로 모니터링할 필요가 있다.

지금까지의 바이오 센서 개발 연구는 특정 생리활성 물질의 농도를 정량 하거나 분석하는 도구로서 다양한 연구 개발 노력이 진행되어 왔다.

이미 혈당측정기, 혈액이온성분 분석기, 생체시료 연구용 기기 등과 같이 의 료 및 환경 산업 분야에 사용 될 수 있는 휴대용 측정기와 연구 목적의 자동화 분석 기기 형태로 관련 시장이 형성되어 있고, 임상 및 의료용 진단과 식품 위생, 농업, 정밀화학 분야 등에 걸쳐 광범위한 응용이 기대되고 있다.

최근에는 인간의 유전정보 규명, 질병 진단, 예방 의학, 그리고 신약 후보 물질의 대량 검색 수단으로서 DNA 칩, 단백질 칩과 같은 바이오 칩 기술이 급속히 발전되고 있기 때문에 바이오 센서의 기능 또한 단순한 분석 수단을 뛰어 넘어 진단과 대량 검색의 기능이 강조되고 있다.

이와 같은 바이오 센서는 물질을 감지하기 위해 자기 저항 센서(Magneto resistance, Hall 센서)를 구비한 자성입자 검출 기기를 이용하게 된다. 이러한, 검출 기기는 자기 저항 센서와 진단 카트리지에 자기장을 인가하여 자기 효과를 이용하여 검출하는 기기이다. 즉, 검출 기기는 자기적 성분이 코팅된 바이오 물질이 자기장이 인가되는 세기에 따라 바이오 물질의 자화 값의 변화(자기 신호)를 자기 저항 센서로 검출하여 전기적 성분으로 분리 및 분석한다.

이에 따라, 검출 기기는 자기 성분이 코팅된 바이오 물질을 효과적인 자기 신호로 변화하기 위해 외부에서 인가된 자기장의 세기를 크게하는 것이 가장 중요한 요소이고, 자기 저항 센서와 자성 입자가 코팅된 바이오 물질과의 거리, 자기 센서의 감도, 이것을 진단기기로 사용하기 위해서 자기 신호의 변환된 성분을 검출하여 효과적으로 신호 처리할 수 있는 증폭 구동부가 중요한 역할을 한다.

이와 같이, 자기장의 세기를 향상시키기 위한 장치가 필요하며, 향상된 자기장의 세기를 정확히 감지할 수 있는 증폭 구동부가 필요하게 된다.

상기와 같은 문제점을 위하여, 본 발명은 자기장의 세기를 향상시킬 수 있는 장치와 이를 이용한 장치의 자기 신호를 정확하게 검출할 수 있는 증폭 구동부를 포함하는 진단 기기를 제공하는 것이다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 진단 기기는 적어도 하나의 자기장의 방향과 세기를 조정하며, 자기 저항 센서에서 자기적인 성분과 결합한 바이오 물질에 대한 자기 신호를 감지하여 자기적 성분으로 분리하고 분석하는 검출 기기와, 상기 검출 기기로부터 생성된 자기 신호를 증폭하며, 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 감지하는 증폭 구동부와, 상기 증폭된 자기 신호를 디지털화하여 퍼스널 컴퓨터로 신호의 파형 및 계측된 값을 구하는 신호 변환부와, 상기 신호 변환부를 통해 디지털화된 자기 신호를 Stand-alone Type 신호의 파형 및 계측된 값을 모니터링하는 신호 표시부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 Stand-alone Type 신호는 자기 성분과 결합한 바이오 물질의 세기를 감지하여 사용자(User)가 목시적으로 판단할 수 있도록 파형 및 정량화된 수치 및 계측 값인 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 검출 기기는 상기 자성 입자가 결합된 바이오 물질의 자기적인 성분을 감지하는 자기 저항 센서와, 상기 자기 저항 센서에 적어도 하나의 방향으로 외부 자기장을 인가하는 외부 자기장 인가장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 외부 자기장 인가장치는 상기 자기 저항 센서에 수평방향으로 자기장을 인가시키는 제1 인가 유닛과, 상기 자기 저항 센서에 수직방향으로 자기장을 인가시키는 제2 인가 유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 증폭 구동부는 상기 자기 신호를 증폭하기 위해 다수의 증폭부와, 상기 다수의 증폭부로부터 생성된 증폭된 자기 신호의 노이즈를 제거하기 위한 적어도 하나의 저역 통과 필터부와, 상기 다수의 증폭부 사이에 형성되어 상기 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 감지하는 자기 신호만을 감지하는 신호 검출 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 신호 검출 제어부는 커패시터 및 바이어스 전압을 이용하여 축적된 자기 신호를 제거하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 진단 기기는 자기 저항 센서에 적어도 하나의 방향으로 자기장을 인가하는 외부 자기장 인가 장치를 포함하는 검출 장치를 구비한다. 이와 같은 검출 장치를 이용함으로써 자기 저항 센서에 적어도 하나의 방향으로 자기장을 인가하여 자성 입자가 코팅된 바이오 물질의 자화 값의 세기가 증가되어 감도가 향상된다.

또한, 바이오 물질의 자화 값의 세기가 증가된 검출 장치를 이용하여 자기장이 인가되고 세기가 정해지면 자성 입자가 코팅된 바이오 물질의 신호를 검출하는데, 이때 자기장에 인가되어 있는 동안에 축적된 자기 신호를 제거할 수 있는 신호 검출 제어부를 포함하는 증폭 구동부를 포함한다. 이에 따라, 정확한 감도의 바이 오 물질을 감지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

바이오 센서는 특정한 물질에 대한 인식기능을 갖는 생물학적 수용체가 전기 또는 광학적 변환기(transducer)와 결합되어 생물학적 상호작용 및 인식반응을 전기적 또는 광학적 신호로 변환함으로써 분석하고자 하는 물질을 선택적으로 감지할 수 있는 소자이다. 이와 같이 물질을 감지하기 위해 거대 자기 저항 센서를 이용하여 검출할 수 있다.

다시 말하여, 거대 자기 저항 소자, 스위칭 소자 및 자성 물질로 구성되는 거대 자기 저항 센서(Giant Magneto Resistance;이하 GMR)가 바이오 센서에 다수개에 배치되어 각각 다른 특성을 띠는 물질의 성분에 따라 각각 상이한 자화율을 센싱하여, 주변 물질의 전기적 성분을 분석한다.

이때, GMR 센서는 스핀 밸브 타입(Spin-valve type)의 GMR 소자를 이용할 수 있다. 스핀 밸브 타입의 GMR 소자의 센싱 원리는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 강자성체 금속층 사이에 비자성 금속층이 사이에 위치한다. 두 개의 강자성체 금속층 중 어느 한층의 자력은 고정되어 있고 두 개의 강자성체 금속층 중 다른 한층의 자력은 가변적으로 조정하여 두 층의 자력이 평행할 경우 오직 특정 방향으로 스핀이 배향된 전자만이 도체를 통하과하는 원리를 이용하는 것이다. 즉, 두 강자서층의 자화 방향의 정렬에 따라 재료 내부에서 유도되는 전기 저항의 차이 또는 전위차가 발생하고 이것을 디지털 신호로 인식하게 된다.

본 발명은 도 2에 도시된 스핀 밸브 타입의 GMR 소자를 이용한 검출 기기를 설명하자면, 자기 저항 센서 및 진단 키트(카트리지)에 자기장을 인가하여 자기 효과를 이용하여 검출하는 기기이다. 다시 말하여, 검출기기는 자기적 성분이 코팅된 바이오 물질(항체 또는 검체)이 자기장이 인가되는 세기에 따라 바이오 물질의 자화 값의 변화(자기 신호)를 자기 저항 센서로 검출하여 전기적 성분으로 분리 및 분석한다.

이를 위해, 검출 기기는 도 2에 도시된 바와 같이 검출 기기는 검출하고자하는 바이오 물질과, 바이오 물질을 고정하는 검체고정유닛(120)과, 바이오 물질에 외부에서 자기장을 인가하는 외부 자기장 인가 장치(111,112)와, 자가 저항 센서(130)를 포함한다.

검출 기기는 바이오 물질을 검체고정유닛(120)에 마운팅(mounting)하고, 외부 자기장 인가 장치(110)에서 외부 자기장을 인가하며, 자기 저항 센서(130)에서 자기적 성분(자성입자)와 결합한 바이오 물질에 대한 자기 신호를 감지하여 전기적 성분으로 분리하고 분석할 수 있도록 한다.

외부 자기장 인가장치(111,112)는 자기 저항 센서(130)에 적어도 하나의 방향으로 외부 자기장을 인가하며, 바람직하게는 자기 저항 센서(130)에 제1 및 제2 방향의 외부 자기장을 인가한다.

외부 자기장 인가장치는 자기 저항 센서(130)에 제1 방향인 수평방향으로 자기장을 인가시키는 제1 인가유닛(111)과, 자기 저항 센서(130)에 제2 방향인 수직 방향으로 자기장을 인가시키는 제2 인가유닛(112)를 포함한다.

여기서, 수평 방향 및 수직 방향은 상기 자기 저항 센서의 입면에 반드시 수직만을 의미하는 것이 아니라, 일정정도의 입사방향의 유동성을 구비하는 것을 포함하는 개념이다.

자기 저항 센서(130)는 정상자기저항(Ortrinary Magnetoresistance, OMR)센서, 이방성 자기저항(Anisotropic Magnetoresistance, AMR)센서, 거대자기저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서, 초거대자기저항(Colossal Magnetoresistance, CMR)센서, 터널링자기저항(Tunnelling Magnetoresistance, TMR)센서, MJT (Magnetic Tunneling Junction)센서 중 선택되는 어느 하나를 이용할 수 있다. 특히, 바람직하게는 거대 자기 저항(Giant Magnetoresistance, GMR)센서를 활용할 수 있다.

이와 같이 검출 기기는 자기 저항 센서에 적어도 하나의 방향으로 자기장을 인가하는 외부 인가 장치(111,112)를 이용함으로써 도 3에 도시된 바와 같이 코팅된 바이오 물질의 1 개의 입자가 받는 자기력의 세기가 수평 방향과 수직 방향의 인가된 자기장의 합의 세기이므로 바이오 물질의 자화력을 높여 감도를 향상시킬 수 있다. 이러한, 검출 기기의 정확한 신호 검출을 위해 자기 신호를 도 4에 도시된 증폭 구동부(140)를 통해 신호를 검출한다.

증폭 구동부(140)는 적어도 하나의 자기장의 방향성과 세기를 인가하여 자성입자가 코팅된 바이오 물질의 자화 값의 세기가 증가되어 감도가 향상된 검출 장치의 신호 처리한다.

다시 말하여, 증폭 구동부(140)는 자기장이 인가되고 자기장의 세기가 정해지면 자성 입자가 코팅된 바이오 물질의 신호를 검출하고, 이때 자기장이 인가되어 있는 동안에 신호가 축적되는데 축적된 자기 신호를 제거하여 바이오 물질을 정확한 감도를 감지할 수 있다.

즉, 증폭 구동부(140)는 검출 기기로부터 생성된 미세한 자기 신호를 증폭하며, 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 감지한다. 이를 위해, 도 4에 도시된 바와 같이 제1 내지 제4 증폭부(142,144,146,152), 제1 및 제2 저역 통과 필터부(148,154), 신호 검출 제어부(150)를 포함한다.

이때, 증폭 구동부(140)는 제1 내지 제4 증폭부(142,144,146,152), 제1 및 제2 저역 통과 필터부(148,154)만 구성하고 있지만, 다수의 증폭부, 다수의 저역 통과 필터부를 포함할 수 있다.

제1 증폭부(142)는 검출 기기로부터 자기 신호를 증폭하여 제1 자기 증폭 신호를 생성하고, 제2 증폭부(144)는 제1 증폭부(142)로부터 제1 자기 증폭 신호를 증폭하여 제2 자기 증폭 신호를 생성하고, 제3 증폭부(146)는 제2 증폭부(144)로부터 제2 자기 증폭 신호를 증폭하여 제3 자기 증폭 신호를 생성한다.

제1 저역 통과 필터부(148)는 제3 증폭부(146)로부터 제3 자기 증폭 신호의 노이즈를 제거한다.

신호 검출 제어부(150)는 제1 저역 통과 필터부(148)를 통해 노이즈가 제거된 제3 자기 증폭 신호에 대해 원신호인 증폭된 자기 신호 성분만 검출있도록 한다. 이때, 신호 검출 제어부(150)는 다수의 증폭부 사이에 적어도 하나 형성된다. 다시 말하여, 신호 검출 제어부(150)는 바이오 물질의 농도를 정량 및 정확하게 하기 위해 커패시터(C) 및 바이어스 전압(Vref)을 이용한다. 즉, 신호 검출 제어부(150)는 커패시터(C) 및 바이어스 전압(Vref)을 이용하여 축적된 신호를 제거한다. 이에 따라, 신호 검출 제어부(150)를 사용하기 전 및 신호 검출 제어부(150)를 사용하는 경우를 예로 들어 설명하기로 한다.

도 5a는 신호 검출 제어부(150)를 사용하기 전에 그래프를 나타내며, 신호가 원래 바이오 물질이 가지고 있는 농도를 나타내는 신호가 시간에 따라 파형이 화살표 방향으로 증가하게 되고, 축적된 성분이 있어 정량적으로 검출하기 어려운 것을 나타내고 있다. 반면에, 도 5b는 신호 검출 제어부(150)를 사용한 그래프를 나타내며, 원 신호 이외의 자기장이 발생하는 동안 축적된 파형이 없고, 바이오 물질의 원신호만 측정할 수 있다.

구체적으로, 신호 검출 제어부(150)의 직렬로 연결된 커패시터(C) 및 바이어스 전압(Vref)의 역할은 바이오 물질과 결합된 자기 성분 신호가 외부 직류(DC) 자기장에 인가되어질 때 연속적으로 검출된 신호가 자기 성분의 변환 신호 및 직류(DC) 성분이 있어 회로 내에 축적되어지게 되어 도 5a에 도시된 바와 같이 점점 증가하게 되고 인가되어진 전압만큼 증가하면 증폭부가 포화(Saturation)되어 신호를 감지할 수 없게 된다. 따라서, 이 증폭부가 포화되지 않도록 직렬로 연결된 커패시터(C)를 통해 직류(DC) 성분을 제거하고 인가된 바이어스 전압(저항 분압)의 저항으로 한번 검출 후에 커패시터(C)와 저항의 시정수(1/RC)로 전원으로 축적된 신호를 빼주게 되어 연속적으로 신호를 검출할 수 있게 된다.

제4 증폭부(152)는 제1 저역 통과 필터부(148) 및 신호 검출 제어부(150)를 통해 정량화 및 필터링(filtering)된 제3 자기 증폭 신호를 증폭하여 제4 자기 증폭 신호를 생성한다.

제2 저역 통과 필터부(154)는 제4 증폭부(152)로부터 제4 자기 증폭 신호의 노이즈를 제거한다. 이와 같이, 저역 통과 필터부는 제1 및 제2 저역 통과 필터부(148,154)만 형성되는것 뿐만 아니라, 각 증폭부와 연결되어 증폭된 신호에 대한 노이즈를 제거할 수 있다.

도 6는 본 발명에 따른 검출 기기 및 증폭 구동부를 이용한 진단 기기를 나타낸 블록도이다.

검출 기기(100)는 자기 신호를 검출하기 위하여 자성 입자가 마운트된 바이오 물질(Membrane Kit)과, 바이오 물질을 자화시키기 위하여 외부에서 인가되는 적어도 하나의 자기장의 방향과 세기를 조정할 수 있는 외부 자기장 인가 장치 및 스캐너와, 발생한 자기 신호를 감지하는 자기 저항 센서를 포함한다.

증폭 구동부(140)는 검출 기기(100)로부터 생성된 미세한 자기 신호를 증폭하며, 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 검출한다. 또한, 증폭 구동부(140)는 신호 변환부(160) 및 신호 표시부(170)에 정량화 및 모니터링할 수 있는 신호를 만들수 있도록 자기 신호를 증폭 및 필터링(filtering)한다. 이와 같이, 증폭 구동부(140)는 검출 기기(100)로부터 증폭 및 노이즈를 제거하기 위해 다수의 증폭부(142,144,146,152) 및 다수의 저역 통과 필터부(148,154)를 포함하며, 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 검출할 수 있도록 신호 검출 제어부(150) 를 포함한다.

신호 변환부(160)는 증폭된 자기 신호를 디지털화하여 퍼스널 컴퓨터(NPC, 데스크 탑)로 신호의 파형 및 계측된 값을 구하기 위해 아날로그-디지털 변환부(162), 마이크로 프로세서부(164), 인터페이스부(166), 시스템 프로세서부(168)를 포함한다.

신호 표시부(170)는 신호 변환부(160)를 통해 디지털화된 자기 신호를 Stand-alone Type 신호의 파형 및 계측된 값을 볼 수 있기 위해 클럭 신호 생성부(172), 메모리부(174), 시스템 프로세서부(176), 입력 제어 장치부(182), USB PCMCIA(184), Memory FIFO(178), 비디오 디지털-아날로그 변환부(180), 제1 프로세서 증폭부(186), 제2 프로세서 증폭부(188), 모니터부를 포함한다.

이때, Stand-alone Type 신호는 자기 성분과 결합한 바이오 물질의 세기를 감지하여 사용자(User)가 목시적으로 판단할 수 있도록 파형 및 정량화된 수치 및 계측 값이다.

이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술 될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 자명하다.

도 1은 본 발명에 따른 스핀 밸브 타입의 GMR 소자의 원리를 나타내는 평면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 스핀 밸브 타입의 GMR 소자를 이용한 검출 기기를 나타낸 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 검출 기기에 대한 자기장의 세기를 설명하기 위한 평면도이다.

도 4는 도 2에 도시된 검출 기기에 따른 증폭 구동부를 나타낸 블록도이다.

도 5a는 도 4에 도시된 증폭 구동부를 사용하기 전을 나타낸 결과 그래프이고, 도 5b는 도 4에 도시된 증폭 구동부를 사용한 후를 나타낸 결과 그래프이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

140 : 증폭 구동부 142 : 제1 증폭부

144 : 제2 증폭부 146 : 제3 증폭부

148 : 제1 저역 통과 필터부 150 : 신호 검출 제어부

152 : 제4 증폭부 154 : 제2 저역 통과 필터부

160 : 신호 변환부 170 : 신호 표시부

Claims

적어도 하나의 자기장의 방향과 세기를 조정하며, 자기 저항 센서에서 자기적인 성분과 결합한 바이오 물질에 대한 자기 신호를 감지하여 자기적 성분으로 분리하고 분석하는 검출 기기와;

상기 검출 기기로부터 생성된 자기 신호를 증폭하며, 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 감지하는 증폭 구동부와;

상기 증폭된 자기 신호를 디지털화하여 퍼스널 컴퓨터로 신호의 파형 및 계측된 값을 구하는 신호 변환부와;

상기 신호 변환부를 통해 디지털화된 자기 신호를 Stand-alone Type 신호의 파형 및 계측된 값을 모니터링하는 신호 표시부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진단 기기.
제1항에 있어서,

상기 Stand-alone Type 신호는 자기 성분과 결합한 바이오 물질의 세기를 감지하여 사용자(User)가 목시적으로 판단할 수 있도록 파형 및 정량화된 수치 및 계측 값인 것을 특징으로 하는 진단 기기.
제1항에 있어서,

상기 검출 기기는

상기 자성 입자가 결합된 바이오 물질의 자기적인 성분을 감지하는 자기 저항 센서와;

상기 자기 저항 센서에 적어도 하나의 방향으로 외부 자기장을 인가하는 외부 자기장 인가장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 진단 기기.
제3항에 있어서,

상기 외부 자기장 인가장치는

상기 자기 저항 센서에 수평방향으로 자기장을 인가시키는 제1 인가 유닛과;

상기 자기 저항 센서에 수직방향으로 자기장을 인가시키는 제2 인가 유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 진단 기기.
제1항에 있어서,

상기 증폭 구동부는

상기 자기 신호를 증폭하기 위해 다수의 증폭부와;

상기 다수의 증폭부로부터 생성된 증폭된 자기 신호의 노이즈를 제거하기 위한 적어도 하나의 저역 통과 필터부와;

상기 다수의 증폭부 사이에 형성되어 상기 자기장이 인가되어 있는 동안 자기 신호만을 감지하는 자기 신호만을 감지하는 신호 검출 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 진단 기기.
제5항에 있어서,

상기 신호 검출 제어부는 커패시터 및 바이어스 전압을 이용하여 축적된 자기 신호를 제거하는 것을 특징으로 하는 진단 기기.